橡膠瀝青性能指標影響因素分析

趙林肖

(河北交規院瑞志交通技術咨詢有限公司 石家莊市 050000)

0 引言

隨著我國汽車工業的飛速發展，國民汽車保有量逐年提升。相應地，隨之產生的廢舊汽車輪胎量也顯著增加，黑色污染也愈趨嚴重。為有效消除廢舊輪胎導致的黑色污染，橡膠瀝青應運而生。橡膠瀝青是指以橡膠粉為改性劑，摻加穩定劑等輔劑，在高溫剪切(工廠化生產時為膠體磨研磨)下制備而成的高性能改性瀝青，符合當今綠色施工的各項要求。研究表明，橡膠瀝青具有較好的高溫穩定性、低溫抗裂性以及路面保黑等優良性能，也具有良好的彈性性能和溫度敏感性，在各種瀝青路面結構中常作為膠結料使用[1-3]。

目前對于橡膠瀝青的研究較多，主要有橡膠瀝青性能指標研究及橡膠瀝青混合料研究[4-5]，其中橡膠瀝青性能指標研究仍以我國常用的三大指標等傳統性能指標研究為主[6-8]。為了進一步分析橡膠瀝青性能指標及相關因素影響，擬借助SHRP瀝青試驗體系指標(主要采用車轍因子、彎曲蠕變勁度)對各影響因素進行分析，進而為橡膠瀝青的應用提供更深入的理論指導。

1 SHRP計劃

SHRP(Strategic Highway Research Program)計劃由美國國會于1987年批準進行，由FHWA(聯邦公路局)和AASHTO(美國各州公路和運輸工作者協會)共同完成，其研究成果對世界各國瀝青混凝土路面、水泥混凝土路面設計產生了極為深遠的影響。SHRP計劃研究內容主要包括瀝青、路面性能、混凝土與結構以及公路運輸等四個方面的重要內容。其中瀝青(此為廣義瀝青，SHRP計劃稱為膠結料)對瀝青試驗方法進行了開創性研究，主要研發出了DSR(動態剪切流變儀)、BBR(彎曲梁流變儀)、DDT(直接拉伸試驗儀)以及RV(旋轉粘度儀)等一系列試驗設備。相較我國傳統采用的三大指標具有與瀝青使用性能相關性好、流變學理論基礎好等一系列優點。

本試驗采用SHRP體系指標主要選用DSR與BBR進行車轍因子與彎曲蠕變勁度兩項指標測試，主要用于表征橡膠瀝青高溫、低溫性能。

2 橡膠瀝青制備

為研究不同影響因素對橡膠瀝青性能的影響，首先選取初始組合材料與參數進行橡膠瀝青性能指標試驗：瀝青選取70#基質瀝青，膠粉粒徑選取40目，膠粉摻量為20%，制備溫度選取170～180℃。相關材料技術指標如下：

2.1 原材料性能

膠粉采用某材料公司生產的20～60目橡膠粉，胎源全部為900mm以上的大貨車輪胎，經常溫研磨工藝加工而成，橡膠粉物理化學指標見表1、表2。

表1 橡膠粉物理指標檢測結果

表2 橡膠粉化學指標檢測結果

基質瀝青為國創70#A級道路石油瀝青，采用高速剪切攪拌的加工工藝，加工溫度170～180℃，反應時間1h。

70#基質瀝青相關性能指標如表3所示。

表3 基質瀝青檢測結果

2.2 橡膠瀝青制備

橡膠瀝青制備需經過熔融高速剪切以及溶脹發育兩個階段，在已有研究基礎上，制定如下制備工藝進行橡膠瀝青制備(試驗室制備工藝)：

(1)170～180℃條件下添加橡膠粉，手動攪拌15min。

(2)添加穩定劑，采用高速剪切機，在1000～3000r/min速率范圍內高速剪切30min。

(3)在170～180℃溫度范圍內發育溶脹1h。

3 橡膠瀝青性能影響分析

3.1 膠粉類別及粒徑影響

為研究不同粒徑膠粉對橡膠瀝青性能的影響，選取兩類來源膠粉1#和2#，分別制備成20目、40目以及60目三種膠粉，按照上述制備工藝分別制備成成品橡膠瀝青。對橡膠瀝青進行軟化點、彈性恢復以及采用DSR進行車轍因子測試，結果如表4所示。

表4 不同粒徑膠粉橡膠改性瀝青性能指標

由試驗結果分析可知：

(1)加入橡膠粉后，軟化點大幅提升，表明瀝青高溫穩定性得到有效提高。這是由于膠粉與瀝青之間的物理、化學作用(目前認為以物理作用為主)使得瀝青內部形成網格結構，增強了瀝青的高溫抗變形能力。但隨著膠粉粒徑減小(即目數增大)，1#橡膠瀝青軟化點先增大后減小，2#橡膠瀝青軟化點持續減小，表明僅就軟化點而言存在最佳膠粉粒徑。

水稻產地土壤樣品數據統計結果顯示（表3），Cd總質量分數為0.005~0.937 mg·kg-1（均值為0.14 mg·kg-1)，Cd 含量超過土壤背景值（0.110 mg·kg-1），變異系數為85.7%，Cd的超標樣點有252個，占總樣點數的16.1%，超標率較高，表明水稻產地土壤明顯受到Cd的污染。稻米樣品數據統計結果顯示，Cd總質量分數為 0~0.936 mg·kg-1（均值為 0.163 mg·kg-1)，超標點位為294個，超標率為33.4%。

(2)整體而言，隨著膠粉粒徑減小，不同膠粉橡膠瀝青彈性恢復性能差異較大，其中1#膠粉粒徑對橡膠瀝青彈性恢復影響較小，而2#膠粉當膠粉粒徑達到60目時彈性恢復顯著減小，表明膠粉的來源與制備工藝對橡膠瀝青存在較大影響，另一方面也可表明膠粉與瀝青存在配伍性。

(3)隨著膠粉粒徑減小，瀝青車轍因子顯著下降，表明瀝青高溫抗變形能力出現下降，這與軟化點結論一致，表明橡膠瀝青高溫抗變形能力隨著膠粉粒徑減小而下降。同時也可發現，1#膠粉橡膠瀝青高溫穩定性優于2#膠粉橡膠瀝青。

(4)比較不同粒徑膠粉蠕變勁度，不同類型膠粉變化規律并不一致：1#膠粉橡膠瀝青隨粒徑減小呈現減小規律，2#膠粉則呈現一定增長規律。但整體而言1#膠粉橡膠瀝青蠕變勁度指標小于2#膠粉橡膠瀝青，表明1#膠粉橡膠瀝青低溫開裂性能優于2#膠粉橡膠瀝青。

綜合分析，1#膠粉橡膠瀝青性能優于2#膠粉橡膠瀝青，其中20目膠粉橡膠瀝青綜合性能更優。但低目數(即大粒徑)的膠粉易導致橡膠瀝青的離析，且高溫黏度更大、施工難度更大，實際使用時應結合橡膠瀝青的性能與施工適用性進行綜合分析進行選用。

3.2 膠粉摻量影響

采用20目膠粉為基準，對不同摻量下橡膠瀝青性能指標進行測試，試驗結果如表5所示。

由表5分析可知：

表5 不同摻量膠粉橡膠改性瀝青性能指標

(1)隨著膠粉摻量提高，橡膠瀝青軟化點升高。這是由于膠粉摻量提高后膠粉對瀝青的網格交聯作用加強，同時隨著膠粉摻量增大橡膠瀝青的高熔點特性對瀝青影響更加顯著。

(2)隨著膠粉摻量提高，橡膠瀝青彈性恢復逐漸增大，橡膠瀝青彈性變形性能得到提高，表明提高摻量對橡膠瀝青抵抗變形后的恢復性能得到改善。另一方面也表明膠粉與瀝青理化交聯效果較佳，摻量達到20%時彈性恢復仍為90%，并未出現明顯的膠粉過量導致的聚集而使彈性恢復減小現象。

(3)隨著膠粉摻量提高，車轍因子顯著提高、低溫彎曲蠕變勁度逐漸減小，表明隨著摻量增大橡膠瀝青高溫穩定性、低溫抗裂性均得到有效改善。

綜合前述分析，在考慮橡膠瀝青性能指標的同時，還需對橡膠瀝青施工性能進行考量。采用1#橡膠粉橡膠瀝青，選取典型加工溫度180℃進行布氏黏度測試，測試結果見表6。

表6 不同摻量橡膠瀝青黏度測試結果

由于黏度為瀝青的重要性能指標，與其它路用指標具有一定的相關性，橡膠瀝青黏度應保持在適當范圍。當黏度過小時，橡膠瀝青高溫穩定性等性能指標將過小，改性效果不明顯；但當黏度過大時，為保證施工和易性，要求必須提高作業溫度，一方面會加速瀝青老化降低瀝青疲勞性能，另一方面也會增加拌和站燃料投放，不符合綠色施工技術要求。綜合考慮，根據現有研究表明，一般要求黏度在1.5～4.0 Pa·s。綜合分析，在加工工藝不變條件下，1#橡膠粉橡膠瀝青最佳摻量宜為16%～18%。

3.3 瀝青標號影響

如前所分析，不同來源膠粉與瀝青性能存在較大差異，推測膠粉與瀝青存在配伍性選擇，為此選取另一種基質瀝青制備橡膠瀝青進行相關性能指標分析。其中，膠粉粒徑為20目、摻量為18%，加工溫度為180℃，試驗結果見表7。

表7 不同標號瀝青橡膠改性瀝青性能指標

分析可知：70#基質瀝青橡膠瀝青軟化點、車轍因子兩項指標優于90#基質瀝青橡膠瀝青，而彈性恢復、低溫彎曲蠕變勁度兩項指標則90#基質瀝青橡膠瀝青較優。表明標號越小瀝青制備的橡膠瀝青高溫穩定性越好，但彈性恢復性能及低溫抗裂性能相對較差。這是由于標號越大瀝青針入度越大，對應瀝青稠度越小，高溫條件下抵抗變形性能較差，而低溫條件下自愈性能更佳，具備更好的低溫抗裂能力。

4 結論

基于傳統指標及SHRP試驗體系指標，分別研究了膠粉類別及粒徑、摻量以及瀝青標號等影響因素對橡膠瀝青性能的影響。得出如下結論：

(1)1#膠粉橡膠瀝青性能優于2#膠粉橡膠瀝青，20目膠粉橡膠瀝青綜合性能更優。

(2)隨著膠粉摻量提高，車轍因子顯著提高、低溫彎曲蠕變勁度逐漸減小，表明隨著摻量增大橡膠瀝青高溫穩定性、低溫抗裂性均得到有效改善。

(3)瀝青標號提高，高溫穩定性降低、低溫抗裂性能增強。橡膠瀝青應用時，應結合使用環境進行具體分析。